華中科技大學肖先金團隊ACS?Nano：精細調控DNA鏈置換反應和構建復雜DNA納米裝置的多功能Clip序列

DNA納米技術是納米技術的一個重要分支，基于堿基互補配對的高特異性和可編程性，DNA可以被設計成具有特殊功能的納米裝置，例如DNA 電路和DNA機器人。目前，這些功能強大的DNA納米裝置已經在藥物遞送、靶向識別、光熱治療、生物成像、合成生物學等諸多生物醫學領域中取得了廣泛的應用，并逐漸成為未來醫藥技術的重要發展方向。

DNA鏈置換反應是構建各種DNA納米裝置的基礎元件。其中，Toehold介導的DNA鏈置換反應的應用最為廣泛。然而，目前可用于精細調節Toehold介導的DNA鏈置換反應的調控元件十分有限，而且它們的調控功能單一，嚴重限制了 DNA 納米裝置向結構更復雜、功能更強大的方向發展。

近日，華中科技大學肖先金團隊開發了一種新型DNA鏈置換反應調控元件：Clip。Clip元件集多種調控功能于一體，包括反應速率的精細調整、變構鏈置換、選擇性激活和重置反應。新型調控工具為單鏈?DNA，分為入侵區域（I）、調控區域（R）和目標區域（T）。I 與部分入侵鏈互補，T 與目標 dsDNA 互補，R 是長度可調的區域。通過調節R區域的長度可以實現DNA鏈置換反應速率的精細調控。

圖一、（a）“Clip”元件工作機制原理圖；（b-e）“Clip”調控DNA鏈置換反應速率實驗結果及動力學模型。

圖二、Clip元件編程DNA walker的行走路徑

利用Clip多功能的優勢，課題組進一步構建了基于Clip元件的DNA步行機（DNA walker），實現可控行走和可編程路徑的獨特功能。此外，課題組還構建了基于Clip元件的 AND/OR 邏輯門并集成這些邏輯門，實現復雜的邏輯電路。查閱文獻可知，課題組構建的 DNA 邏輯電路是第一個真正意義上可以重復計算、處理不同輸入信號的 DNA 電路。

課題組開發的新型DNA鏈置換反應調控元件“Clip”成功地對各種DNA納米機器進行兼容，實現多種靈活且復雜的功能，可以極大拓展DNA納米機器在核酸研究和醫學領域的應用。

這一成果近期發表在《ACS Nano》上，文章第一作者是華中科技大學學生劉理權，胡清漪和張溫凱。華中科技大學肖先金教授是本文的唯一通訊作者。

肖先金教授課題組自2016年成立以來，在生物醫學交叉領域已發表多篇論文，建立了堅實豐厚的理論和技術基礎。肖先金教授本、碩、博均畢業于北京大學，目前主持了國家自然科學基金青年項目、面上項目，湖北省重大科技攻關子課題等10余個項目，獲得了中國新銳科技人物卓越影響獎、武漢市晨光計劃、華中科技大學學術新人獎等人才獎勵。入職五年來，發表第一作者/通訊作者論文30余篇，包括Nature Communications、Nucleic Acids Research等，總影響因子超過180。

圖三、基于Clip的可重復運算的DNA邏輯電路

論文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c01763#?

Liquan Liu, Qingyi Hu, Wenkai Zhang, Wenhao Li, Wei Zhang, Zhihao Ming, Longjie Li, Na Chen, Hongbo Wang, and Xianjin Xiao*. Multifunctional Clip Strand for the Regulation of DNA Strand Displacement and Construction of Complex DNA Nanodevices. ACS Nano, 2021, 10.1021/acsnano.1c01763.

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